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Dokumentenidentifikation DE69604386T2 13.04.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0813622
Titel ZENTRIFUGALSPINNVERFAHREN FÜR SPINNLÖSUNGEN
Anmelder Akzo Nobel N.V., Arnheim/Arnhem, NL
Erfinder MEERMAN, Johannes, Jacobus, NL-6821 LZ Arnhem, NL;
JELIJS, Roelof, NL-6821 JV Arnhem, NL
Vertreter Fett, G., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 46446 Emmerich
DE-Aktenzeichen 69604386
Vertragsstaaten AT, CH, DE, ES, FR, GB, IE, IT, LI, LU, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.03.1996
EP-Aktenzeichen 969058585
WO-Anmeldetag 01.03.1996
PCT-Aktenzeichen EP9600914
WO-Veröffentlichungsnummer 9627700
WO-Veröffentlichungsdatum 12.09.1996
EP-Offenlegungsdatum 29.12.1997
EP date of grant 22.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2000
IPC-Hauptklasse D01D 5/18
IPC-Nebenklasse D01F 6/60   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erspinnen von Fasern oder Filamenten aus einer spinnfähigen Lösung unter Verwendung einer Zentrifuge, deren Wandung eine oder mehrere Spinnöffnungen aufweist, bei welchem Verfahren die Spinnlösung aus der Zentrifuge in ein Koagulationsmittel im Innern eines Mantels eingedüst wird.

Ein solches Verfahren ist bekannt. In der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 27021/79 ist beschrieben, wie eine optisch anisotrope Spinnlösung aus einem p-Aramid, z. B. Poly(p-phenylenterephthalamid) mit Hilfe einer Zentrifuge ersponnen wird. Vier Beispiele dienen der Erläuterung, wie die Lösung in eine Zentrifuge mit 25 oder 50 Spinnöffnungen bzw. Spinndüsen von 0,08 oder 0,1 mm Durchmesser eingeführt werden, und durch die Spinnöffnungen bei einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 70 bis 1000 Umdrehungen pro Minute (U/min) extrudiert werden. Die Lösung gelangt schliesslich in ein Koagulationsmittel, das in einem Abstand von 2 oder 5 cm aus der Zentrifuge nach unten strömt. Die koagulierten Fasern werden chargenweise gesammelt und 24 Stunden gewaschen. Die Eigenschaften der resultierenden Fasern sind derart, dass sie einen gewissen kommerziellen Wert aufweisen.

Ein solches Verfahren hat u. a. eine geringe Produktionskapazität und hohe Durchlaufzeiten, weil die Fasern chargenweise verarbeitet werden.

Ein Weg zur Erhöhung der Produktionskapazität besteht darin, die Rotationsgeschwindigkeit der Zentrifuge zu erhöhen. Dies hat jedoch andere ausgeprägt nachteilige Wirkungen, was die vergleichsweise geringen Rotationsgeschwindigkeiten in den vergleichsweise geringen Rotationsgeschwindigkeiten in den Beispielen der oben genannten Patentanmeldungen erklärt. Die maximale Rotationsgeschwindigkeit, bei der unter Anwendung der oben beschriebenen Methode tatsächlich Fasern mit ausreichender Qualität ersponnen werden können, liegt in der Grössenordnung von 1000 U/min. Rotationsgeschwindigkeiten oberhalb dieses empfohlenen Wertes erzeugen eine unakzeptable Anzahl von Faserbrüchen. Ausserdem wird zwischen der Zentrifuge und dem längs des Mantels strömenden Koagulationsmittels ein Aerosol gebildet. Solche Bedingungen erzeugen schlechte und unregelmässige Fasereigenschaften (Tabakähnliches Aussehen) sowie eine gefährliche und vergiftete Arbeitsumgebung, was dadurch bedingt ist, dass das Aerosol oft eine starke Säure enthält.

Fasereigenschaften müssen stets höheren Anforderungen entsprechen. In einem üblichen Nassspinnverfahren, wie es in US 4,320,081 beschrieben ist, haben die resultierenden Fasern Eigenschaften, die denjenigen erheblich überlegen sind, welche nach dem Verfahren der oben genannten japanischen Patentanmeldung hergestellt sind (höhere Festigkeit und grösserer Modul). Ein konventionelles Nassspinnverfahren verwendet eine grosse Anzahl von Spinnöffnungen pro Spinndüsengruppe (etwa 1000), so dass die Produktionskapazität ebenfalls gross ist. Wegen der vergleichsweise niedrigen Wickelgeschwindigkeit (einige 100 m pro Minute), die der Produktionskapazität pro Spinnöffnung vergleichbar ist, und der hohen Anfälligkeit des Verfahrens für Störungen durch Fremdstoffe in der Spinnlösung (was eine gründliche Filtrierung und Unterbrechung des Verfahrens erfordert, wenn eine oder mehrere der Spinnöffnungen verstopft sind) liefert auch dieses Verfahren ein teures Produkt. Insbesondere bei Verarbeitung zu Pulpe (Faserstoff), die beispielsweise als Friktions- und Packmaterial verwendet wird, ist eine solche Faser effektiv zu teuer.

Man benötigt mit anderen Worten ein Verfahren, das eine höhere Produktionskapazität aufweist, als die vorhandenen Nassspinnverfahren, und mit welchem Fasern hergestellt werden können, die weniger teuer sind und vergleichbare oder verbesserte Eigenschaften für einen bestimmten Zweck aufweisen, wie etwa für Pulpe. Vorzugsweise sollte es möglich sein, mittels eines solchen Verfahrens weniger reine Spinnlösungen oder solche Spinnlösungen zu verspinnen, die aus bereits leicht koagulierten Polymeren hergestellt sind.

Diese Aufgaben werden durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens durch zentrifugales Verspinnen einer spinnfähigen Lösung erreicht, wobei der Innenradius des Mantels mindestens um 35% grösser ist als der Radius des Aussenumfangs der Zentrifuge.

Vorzugsweise ist der innere Radius des Mantels wenigstens 50 % größer als der Radius des Aussenumfangs der Zentrifuge und übersteigt nicht 350%, oder besonders bevorzugt, 200%.

Es wurde gefunden, dass es dadurch möglich wird, die Rotationsgeschwindigkeit der Zentrifuge erheblich zu erhöhen, sogar auf 5000 U/min oder mehr. Ferner ermöglicht das Verfahren der Erfindung grössere Verstreckungsverhältnisse, und die mittlere Faserlänge kann willkürlich gewählt werden, so dass auch die Herstellung von Endlosfilamenten möglich wird.

Die Bildung von Aerosol (bei Verwendung flüssiger Koagulationsmittel) wird erheblich vermindert, vermutlich weil die Fasern die Koagulationsoberfläche bei der Ablage kaum stören.

Es ist zu bemerken, dass die koreanische Patentschrift KR 9208999 ein Verfahren zur Herstellung von Stapelfasern aus Polyaramid beschreibt, bei welchem flüssig-kristalline Präpolymere einem Rotationsapparat zugeführt und dann als Dispersion durch die Spinnöffnungen in der Wandung der Vorrichtung extrudiert werden. Hierbei handelt es sich mit anderen Worten nicht um eine spinnfähige Lösung eines vorgebildeten Polymers. Die Präpolymeren gelangen schliesslich in ein die Polymerisation förderndes Medium, das entlang der Wandung eines Behälters nach unten fliesst. Der Durchmesser des Behälters ist 1,1- bis 5,0-mal grösser als derjenige der Rotationsvorrichtung. Dieses Verfahren lässt sich schwer steuern, weil es nicht nur gute Faserspinn-, Koagulations- und Austrageigenschaften erfordert, sondern auch eine entsprechende Polymerisation und eine zufriedenstellende Beendigung derselben. Fernerhin haben die erhaltenen Stapelfasern eine geringe Zugfestigkeit und eine Struktur, die im Bezug auf Fibrillierung kritischer ist.

KR 9104700 beschreibt ebenfalls ein Verfahren, das sich auf das Verspinnen von Präpolymeren bezieht. Das Präpolymer wird in eine rotierende Düse eingespeist und die Rotationsgeschwindigkeit sowie die Extrusionsgeschwindigkeit werden gewählt, um sicherzustellen, dass das Verhältnis der Zentrifugalkraft zur Extrusionskraft einen Wert von mindestens 10 überschreitet.

EP 71085 beschreibt die Herstellung von "geformten Teilchen" praktisch gleicher Grösse (schmale Teilchengrössenverteilung) durch Ablagerung einer Polymerdispersion, -schmelze oder - lösung auf eine rotierende Scheibe. Auf diese Weise werden die noch flüssigen Tröpfchen, Fasern oder Lamellen radial in ein Fixiermittel geworfen. EP 71085 bezieht sich nicht auf die Probleme, die bei der Herstellung von Fasern und Filamenten durch Verwendung einer bei hoher Geschwindigkeit betriebenen Zentrifuge angetroffen werden.

Es hat sich als möglich erwiesen, die Fasereigenschaften und die Produktionskapazität des Verfahrens nicht nur durch die Wahl eines verhältnismässig grossen Manteldurchmessers zu verbessern, sondern auch dadurch, dass man eine spinnfähige Lösung dem zentrifugalen Verspinnen mit einer Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge multipliziert mit dem Innendurchmesser des Mantels von über 20 m/s unterzieht.

Das Produkt der Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge (in rad/s) und dem Innenradius des Mantels (in m) wird nachfolgend als "Abhebegeschwindigkeit" (in m/s) bezeichnet.

Vorzugsweise ist die Abhebegeschwindigkeit grösser als 40 m/s oder sogar höher als 60 m/s und geringer als 600 m/s, noch bevorzugter geringer als 400 m/s.

Im Rahmen der Erfindung wird die Bezeichnung "spinnfähige Lösung" verwendet, um Lösungen eines Polymers zu bezeichnen, die in synthetische Fasern oder Filamente durch Extrudieren und nachfolgendes Verfestigen umgewandelt werden können. Vorzugsweise werden die spinnfähigen Lösungen durch Auflösen eines vorgebildeten Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt.

Zusätzlich zu den Lösungen der in JP27021/79 erwähnten Polymeren umfasst die Bezeichnung "spinnfähige Lösung", u. a. Lösungen von meta-Aramid, Zellulose und Zellulosederivaten.

Vorzugsweise zeigt die spinnfähige Lösung eine optische Anisotropie. Lösungen können als anisotrop angesehen werden, wenn im Ruhezustand Doppelbrechung beobachtet wird. Allgemein gesagt gilt dies für Messungen, die bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch Lösungen, die bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur verarbeitet werden können und bei diesen niedrigen Temperaturen Anisotropie zeigen, ebenfalls als anisotrop angesehen werden. Bevorzugt werden Lösungen, die bei Raumtemperatur anisotrop sind.

Die visuelle Bestimmung der Isotropie oder Anisotropie wird mit Hilfe eines Polarisationsmikroskops (Leitz Orthoplan-Pol (100x)) durchgeführt. Zu diesem Zweck werden etwa 100 mg der zu definierenden Lösung zwischen zwei Mikroskopträgern angeordnet und auf eine Mettler FP 82 Heizplatte gebracht, worauf die Heizung eingeschaltet und die Probe mit einer Geschwindigkeit von etwa SºC/min aufgeheizt wird. Beim Übergang vom anisotropen in den isotropen Zustand, d. h. von farbig auf schwarz, wird die Temperatur bei virtuell schwarz abgelesen.

Bei einer Festigkeit von grösser als 13 cN/dtex oder selbst grösser als 20 cN/dtex, bei einer Dehnung von 2-5% und einem Modul von 40-50 GPa sind Fasern aus Poly(p-phenylenterephthalamid), die bei Abhebegeschwindigkeiten von mehr als 20 m/s gesponnen sind, vergleichbar mit Fasern, die nach einem üblichen Nassspinnverfahren ersponnen sind. Ausserdem erwiesen sie sich als hochgradig geeignet zur Herstellung von Pulpe (Faserstoff), sogar tatsächlich noch geeigneter, als Fasern, die nach einem üblichen Nassspinnverfahren erhalten worden sind (siehe Beispiele, insbesondere Tabelle 3).

Es ist auch zu beobachten - vielleicht unnötig - dass die Erfindung die oben genannten Vorteile auch bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten hat, obwohl in diesem Falle auch die Produktionskapazität niedrig sein wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass wegen der Kombination von verminderten Fadenbrüchen (oder sogar wegen eines völligen Fehlens von Fadenbrüchen) und der nun möglichen erhöhten Produktionskapazität, die aus dem Boden des Mantels gleichzeitig mit dem Koagulationsmittel "fallenden" Fasern zur Bildung eines Vorgarnes vereinigt werden können. Die beiden Parameter, d. h. eine ausreichende Anzahl Fasern und eine ausreichende Faserlänge spielen eine wesentliche Rolle bei der Kohäsion eines solchen Vorgarnes. Wenn wegen hoher Produktionskapazität (genügend Fasern) und verminderten Fadenbrüchen oder Fehlen jedwelcher Fadenbrüche (lange Fasern) das Vorgarn genügend Kohäsion hat, kann es in einem kontinuierlichen Verfahren neutralisiert, gewaschen, getrocknet und geschnitten werden.

Ein Beispiel eines Produktes, das direkt aus dem Vorgarn hergestellt werden kann, sind Zigarettenfilter. Durch Verspinnen einer Lösung aus Celluloseacetat in einer Stickstoffatmosphäre (in diesem Falle ist das Koagulationsmittel ein Gas), verdampft das Lösungsmittel, was zu einem verfestigten Vorgarn führt, das direkt zu Zigarettenfiltern verarbeitet werden kann.

Unabhängig von der Art des Endproduktes (Textilien, Verbundstoffe, Dichtungen, Packungen, Bremsbeläge und dergleichen) gilt, dass die Differenz zwischen dem Innenradius des Mantels und dem Aussenradius der Zentrifuge (der sogenannte Luftspalt) vorzugsweise mehr als 7 cm beträgt.

Zentrifugen mit einem Durchmesser von mehr als 20 cm und weniger als 60 cm sind zur Verwendung im erfindungsgemässen Verfahren hochgradig geeignet. Eine solche Zentrifuge ist gross genug, um eine gute Produktionskapazität zu sichern, jedoch auch genügend klein, um den Aufbau der Spinnvorrichtung einfach zu gestalten.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Zentrifuge liegt vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 5000 U/min. Wie oben bereits vermerkt, führt eine Rotationsgeschwindigkeit von weniger als 1000 U/min zu einer zu geringen Produktionskapazität. Gute Fasern können jedoch auch bei Rotationsgeschwindigkeiten von über 5000 U/min hergestellt werden. Bei solchen Geschwindigkeiten ist das Verfahren jedoch weniger leicht zu steuern, und die Zentrifuge unterliegt einer hohen mechanischen Beanspruchung.

Zusätzlich ist die Zentrifuge vorzugsweise mit Mitteln ausgerüstet (wie der sogenannten Viscose-Dichtung), die es ermöglichen, dass die Spinnlösung unter Druck zugeführt wird. Dies macht es möglich, einen Spinnlösungsdurchsatz zu erzielen, was die Steuerbarkeit des Verfahrens, insbesondere das Verstreckungsverhältnis, verbessert. Dies führt auch zu einer verbesserten Sicherheit, da die Spinnlösung, die oft starke Säure enthält, nur durch die Spinnöffnungen austreten kann, wo sie von dem Mantel gesammelt wird und in üblicherweise ausgetragen werden kann.

Die Anzahl der Spinnöffnungen ist an sich nicht essentiell und kann auf Grundlage üblicher Erwägungen gewählt werden (genügender Abstand zwischen den Spinnöffnungen, Gefahr des Verklebens von Filamenten oder Fasern, Produktionskapazität). Im Verfahren gemäss der Erfindung liegt die Anzahl allgemein im Bereich von 40-1000, doch ist auch eine Anzahl von etwa 10 000 nicht ausgeschlossen (insbesondere für Zentrifugen mit grossem Durchmesser).

Der Durchmesser der Spinnöffnungen spielt eine wesentliche Rolle im zentrifugalen Spinnverfahren gemäss der Erfindung. Wenn dieser Durchmesser zunimmt, wird die Gefahr des Verstopfens als Folge von Fremdstoffen in der Spinnlösung vermin dert, so dass eine weniger gründliche Filtration erforderlich ist. Darüber ist es bei grösserem Durchmesser möglich, eine Spinnlösung zu verspinnen, die vollständig oder teilweise aus Polymer hergestellt ist, das bereits etwas koaguliert ist, beispielsweise Rückstandsprodukte des Spinnverfahrens.

Wie oben erwähnt, hat Pulpe aus Fasern, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, vorteilhäfte Eigenschaften. Dies zeigt sich u. a. an der hohen Festigkeit der aus dieser Pulpe hergestellten Produkte. Überraschenderweise wurde gefunden, dass diese Eigenschaften noch weiter dadurch verstärkt werden können, dass man den Durchmesser der Spinnöffnungen vergrössert. Aus diesem Grund ist der Durchmesser der Spinnöffnung oder der Spinnöffnungen vorzugsweise grösser als 30 um. Optimale Ergebnisse werden erhalten, wenn der Durchmesser grösser als 120 um und kleiner als 500 um ist.

Die Eigenschaften von auf diese Weise hergestellter Pulpe sind denjenigen von Pulpe aus Fasern überlegen, die nach einem üblichen Nassspinnverfahren hergestellt sind, und die Pulpe ist überdies erheblich weniger teuer. Der Grund für die überlegenen Eigenschaften ist nicht vollständig bekannt, doch ist es eine Tatsache, dass Fasern, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, eine Anzahl von Merkmalen aufweisen, die bisher nicht beobachtet wurden. Beispielsweise wurde gefunden, dass die Fasern eine Anzahl von länglichen und/oder sphärischen Hohlräumen (mit einem Durchmesser von meist im Bereich von etwa 30-40% des Faserdurchmessers und einem Verhältnis der Volumenfraktion zum gesamten Faservolumen im Bereich von beispielsweise 0,1 - 0,2) besitzen. Ausserdem ist die Polymerstruktur im Gegensatz zur Erwartung der Fachleute an und unter der Faseroberfläche praktisch gleich wie die Polymerstruktur im Faserkern, und der Faserdurchmes serbereich (Titerbereich) ist mit einem grossen Spinnöffnungsdurchmesser breiter. Ein grösserer durchschnittlicher Titer von grösser als 2 dtex und vorzugsweise grösser als 4 dtex zeigt auch im Fall von Fasern, die nach einem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, eine vorteilhafte Wirkung auf die Eigenschaften der Pulpe.

Es ist zu bemerken, dass Fasern mit einem Titer von unter 2 dtex keinesfalls aus dem Rahmen der Erfindung ausgeschlossen sind, da sich diese feineren Fasern beispielsweise für Textilzwecke sehr gut eignen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf eine in der Figur und in einer Anzahl von Beispielen dargestellten Ausführungsform erläutert. Die Figur zeigt einen schematischen Querschnitt einer zur Verwendung für das erfindungsgemässe Verfahren geeigneten Konstruktion, doch ist die Erfindung natürlich nicht auf eine solche Konstruktion beschränkt.

Eine Zentrifuge 1 mit einem Durchmesser von 30 cm ist mit einem Einspeisungsrohr 2 für die Spinnlösung verbunden. An dem Punkt, wo die Zentrifuge 1 in das Einspeisungsrohr 2 übergeht, befindet sich eine Dichtung 3 (eine sogenannte Viscose- Dichtung). Die Zentrifuge 1 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt und doppelwandig aufgebaut, um die Spinndüsen 9 (die aus einer 70/30 Au/Pt Legierung hergestellt sind), bei einer bestimmten Temperatur zu halten, indem eine heisse Flüssigkeit sie umströmt. Eine Anzahl von Spinndüsen 9 ist gleichmässig über den Umfang der Zentrifuge beabstandet. Jede Spinndüse hat mehrere Spinnöffnungen. Die Spinnöffnungen bestehen aus einem konischen Bereich (Einlauf) und einem zylindrischen Bereich (Auslauf), und das Verhältnis der Gesamthöhe der Spinnöffnungen zum Durchmesser des zylindrischen Bereichs beträgt 1,5. Um die Zentrifuge 1 herum befindet sich ein Man tel 4 mit einem Innendurchmesser von 50 cm. Der Mantel 4 besteht aus Polyvinylchlorid (PVC) und hat an der Oberseite einen ringförmigen Kanal 5. Mit diesem ringförmigen Kanal sind Einspeisungsrohre 6 verbunden, durch welche das Koagulationsmittel zugeführt werden kann. Bei Versorgung mit Koagulationsmittel füllt sich der ringförmige Kanal 5 auf. Das Koagulationsmittel kann den ringförmigen Kanal 5 jedoch nur durch die Öffnung 7 verlassen, die ebenfalls ringförmig ist. In Abhängigkeit von der Breite der Öffnung 7 und der Menge an zugeführtem Koagulationsmittel bildet sich ein Vorhang oder Film 8 an dem Mantel 4. Nach Extrusion durch die Sginndüsen 9 gelangen die Fasern oder Filamente schliesslich in das Koagulationsmittel. Das Koagulationsmittel stellt sicher, dass die Fasern oder Filamente den festen Zustand erreichen und ist auch für deren Austrag verantwortlich. Am offenen Boden des Mantels 4 ist ein schräger Behälter 10 angeordnet. Der Behälter 10 ist konisch ausgebildet und am Ende fliesst Wasser aus dem Behälter 10 in einen Abfluss. Das Vorgarn, das wegen dieser Konizität etwas schmäler ist, wird durch die Waschanlage geführt.

Beispiel 1 - Fasern aus reinem Polymer a) Herstellung des reinen Polymers

Wie in der in Beispiel 6 von US 4,308,374 beschriebenen Arbeitsweise angegeben, wurde Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPTD) unter Verwendung einer Mischung aus N-Methylpyrrolidon und Calciumchlorid hergestellt. Nach dem Neutralisieren, Waschen und Trocknen wurde ein Polymer erhalten, das eine Inhärentviscosität von 5,4 hatte.

b) Herstellung einer Spinnlösung aus dem reinen Polymer

Das verwendete Lösungsmittel war Schwefelsäure mit einer Konzentration von 99,8%. Die Lösung wurde wie in Beispiel 3 von US 4,320,081 beschrieben hergestellt. Der Endwert des PPTD- Gehalts der Spinnlösung betrug 19,4%. Die Spinnlösung zeigte optische Anisotropie.

c) Zentrifugalspinnen der Spinnlösung

Die Spinnlösung wurde in der oben beschriebenen Anlage gesponnen. Das gewählte Koagulationsmittel war Wasser mit einer Temperatur von 15ºC und einem Volumendurchsatz von 3000 1/Std. Der Aussendurchmesser der Zentrifuge betrug 30 cm und der Innendurchmesser des Mantels 50 cm, so dass der sogenannte Luftspalt 10 cm betrug. Der Innenradius des Mantels war um 67% weiter als der Aussenradius der Zentrifuge. Die Anzahl Spinnöffnungen betrug 48. Das Vorgarn wurde in einem kontinuierlichen Prozess unter allen oben genannten Bedingungen ausgetragen, neutralisiert, gewaschen und aufgewickelt.

Die anderen Parameter (Rotation = Rotationsgeschwindigkeit, Drm = Durchmesser der Spinnöffnungen, Druck = Überdruck in der Zentrifuge, Durchs. = Massendurchsatz der Spinnlösung, StrV. = der Fasern oder Filamente) sind in Tabelle 1 angegeben. Ausserdem ist zu bemerken, dass in diesem Beispiel der Überdruck in der Zentrifuge ein sogenannter Austragparameter ist, der unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit und dem eingestellten Durchsatz ist.

Beispiel 2 - Fasern aus Spinnprozessrückständen a) Herstellung einer Spinnlösung aus Spinnprozessrückständen

330 g grob zermahlene Spinnprozessrückstände oder -reste wurden einem IKA Duplexkneter in zwei Portionen mit einem zeitlichen Abstand von etwa 5 Minuten zugeführt. Dort wurde unter Vakuum bei 87ºC eine halbe Stunde geknetet, worauf 18,4 g Schwefelsäure (99,8%) zugegeben wurde. Dann folgte eine weitere halbe Stunde kneten, worauf die gesamte Spinnlösung geschmolzen war. Der berechnete Aramidgehalt betrug 18,4%.

b) Zentrifugalspinnen einer Spinnlösung

Eine gemäss Abschnitt a) hergestellte Spinnlösung wurde in der oben dargestellten Anlage versponnen, mit der Abänderung, dass eine offene Zentrifuge verwendet wurde. Die Temperatur des Koagulationsmittels betrug 13ºC, die Anzahl Spinnöffnungen 300. Die übrigen Parameter sind in Tabelle 1, Versuch Nr. 15 angegeben.

Beispiel 3 - Fasern mit hoher Filamentzahl

Die Spinnlösung von Beispiel 2 wurde unter den für dieses Beispiel angegebenen Bedingungen versponnen, mit der Abänderung, dass die Anzahl der Spinnöffnungen 72 betrug. Die anderen Parameter sind in Tabelle 1, Versuch Nr. 16 angegeben.

Beispiel 4 - Fasern mit niedriger Filamentzahl

Die Spinnlösung von Beispiel 1 wurde unter den für dieses Beispiel angegebenen Bedingungen versponnen, mit der Abänderung, dass die Anzahl der Spinnöffnungen 144 betrug. Die anderen Parameter sind in Tabelle 1, Versuch Nr. 17, angegeben. Nach dem Verspinnen wurden die Fasern dieses Beispiels mit einem Schürzentrockner bei einer Temperatur von 90ºC während. 3 Minuten bis zu einem Feuchtigkeitsgrad von 8% getrocknet.

Beispiel 5 - mit hohem Durchsatz ersponnene Fasern

Die Spinnlösung von Beispiel 1 wurde unter den in diesem Beispiel angegebenen Bedingungen versponnen, mit der Abänderung, dass die Anzahl Spinnöffnungen 576 betrug. Das Koagulationsmittel bestand aus Wasser, das 17,2% Schwefelsäure enthielt, während der Innendurchmesser des Mantels 60 cm betrug (d. h. 100% breiter als der Aussenradius der Zentrifuge). Die anderen Parameter sind in Tabelle 1, Versuch Nr. 18, angegeben.

Beispiel 6 - mit hoher Rotation ersponnene Fasern

Die Spinnlösung von Beispiel 1 wurde unter den für dieses Beispiel angegebenen Bedingungen versponnen, mit der Abänderung, dass die Zahl der Spinnöffnungen 60 betrug. Die anderen Parameter sind in Tabelle 1, Versuch Nr. 19, angegeben.

Die Bezeichnung "StrV." wird in Tabelle 1 verwendet, um das berechnete Verstreckungsverhältnis anzugeben (berechnet durch Dividieren der Abhebegeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit der Lösung in der Spinnöffnung).

Tabelle 1

Die Filamentfestigkeit der Beispiele 5, 12, 14 und 19 wurde gemäss ASTM/DIN D2256-90 gemessen und ergab Werte von 13,75, 15,24, 14,20 und 20,00 cN/dtex.

Beispiel 7 - Verarbeitung des Vorgarns zu Pulpe

Die nach den Beispielen 1, 2, 3, 4 und 5 erhaltenen Vorgarne sowie vier Faserproben, die nach einem üblichen Nassspinnverfahren erhalten wurden, wurden (Versuche Nr. v1 - v4) nach Neutralisieren und Waschen, durch eine Schneidanlage (Neumag NMC 150) geführt und zu Stücken von 6 mm zerschnitten. Die Stücke wurden in einem Refiner fibrilliert und zu Pulpe verarbeitet. Sowohl die Pulpe als auch eine aus der Pulpe hergestellte Dichtung hatte ausserordentlich hervorragende Eigenschaften, siehe Tabellen 2 bzw. 3. (SRZ = Schopper-Riegler Zahl, Ofl. = spezifische Oberfläche, mFL = mittlere Faserlänge, gFL = gewogene Faserlänge, GP = Gaspermeabilität, QL = Dichtungsfestigkeit in Längsrichtung der Fasern, QQ = Dichtungsferstigkeit in Querrichtung zu den Fasern, SiebF = Siebfraktion, NRicht. = Nassdichte Die Messmethoden für die Eigenschaften von Pulpe sind noch nicht standardisiert. Soweit möglich, wurden die aus der Papierindustrie (TAPPI-Standards) abgeleitet Messmethoden angewendet.

Tabelle 2
Tabelle 3

Bei Bestimmung der Eignung von Pulpe als Rohstoff für Dichtungen oder Friktionsmaterial sind die Werte von QQ und die Siebfraktionsparameter besonders wichtig. QQ ist normativ für die Festigkeit solcher Materialien, da sie stets niedriger ist als QL. Die Siebfraktion ist ein direktes Mass der Rückhaltefähigkeit der Pulpe für Teilchen, so dass es eine indirekte Angabe der Kohäsion des Materials im Endprodukt (Dichtungen, Packungen, Bremsbeläge usw.) ist. Die Tabellen zeigen sehr klar, dass die Pulpequalität mit zunehmender Abhebegeschwindigkeit steigt. Bei hohen Abhebegeschwindigkeiten überschritt diese Qualität sogar diejenige von Pulpe aus Fasern, die nach einem üblichen Nassspinnprozess hergestellt worden waren.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Spinnen von Fasern oder Filamenten aus einer spinnfähigen Lösung unter Verwendung einer Zentrifuge, deren Wandung eine oder mehrere Spinnöffnungen aufweist, und bei welchem Verfahren die Spinnlösung aus der Zentrifuge in ein Koagulationsmittel innerhalb eines Mantels eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius des Mantels mindestens um 35% grösser als der Radius des Aussenumfangs der Zentrifuge und nicht grösser als 350% ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge und dem Innenradius des Mantels grösser als 20 m/s ist.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spinnfähige Lösung eine optisch anisotrope Lösung ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vollständig oder teilweise koagulierten Fasern oder Filamente zur Bildung eines Vorgarnes vereinigt werden, worauf das Vorgarn in einem kontinuierlichen Prozess neutralisiert und/oder getrocknet und/oder gewaschen wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen dem Innenradius des Mantels und dem Aussenradius der Zentrifuge mehr als 7 cm beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Zentrifuge grösser als 20 cm und kleiner als 60 cm ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge eine Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 1000 bis 5000 U/min besitzt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge mit Mitteln ausgerüstet ist, die es ermöglichen, die spinnfähige Lösung unter Druck zuzuführen.

9. Fasern und Filamente, erhältlich nach einem Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oder Filamente zahlreiche längliche oder sphärische Hohlräume mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 30% bis 40% der Faser- oder Filamentdurchmesser enthalten.

10. Pulpe, hergestellt aus Fasern gemäss Anspruch 9.







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